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1、泉 州 师 范 学 院毕业论文（设计）题 目 小型化双频微带天线的特性研究 物理与信息工程学 院电子信息科学与技术专 业 07 级 学生姓名 学 号 070303030 指导教师 职 称 副教授 完成日期 2011年4月 教务处 制小型化双频微带天线的特性研究物理与信息工程学院 电子信息科学与技术专业 指导教师 副教授摘要：为了减少通信之间的干扰，且为了天线能同时满足多个通信系统要求，天线需在不同的频段下工作，本文通过研究两个背对的“C”的微带天线的特性，它主要采用了曲流技术增大电流的路径和双振模式实现天线的小型化，通过HFSS软件来仿真模型，改变微带天线的各个参数的尺寸来研究微带天线在2.4
2、G和5.8G时性能的变化情况。 关键词：微带天线；双频；HFSS目录引言3第一章 双频微带天线的结构4第二章 天线的仿真及测试结果分析52.1天线的反射损耗图52.2天线的场强方向图82.3天线的电流分布图9第三章 天线的敏感性分析103.1 L对S11的影响113.1.1 L1对S11的影响113.1.2 L2对S11的影响123.1.3 L3对S11的影响123.1.4 L4对S11的影响123.2 S对S11的影响143.2.1 S1对S11的影响143.2.2 S2对S11的影响143.2.3 S3对S11的影响153.2.4 S4对S11的影响153.3 Lf对S11的影响163.4
3、 Wf对S11的影响17第四章 天线的灵敏度分析和优化设计174.1 L的灵敏度分析184.1.1 L1的灵敏度分析184.1.2 L2的灵敏度分析194.1.3 L3的灵敏度分析204.1.4 L4的灵敏度分析214.2 S的灵敏度分析224.2.1 S1的灵敏度分析224.2.2 S2的灵敏度分析234.2.3 S3的灵敏度分析244.2.4 S4的灵敏度分析254.3 Wf的灵敏度分析264.4 天线的优化结果及分析27第五章 结束语32致谢32参考文献33英文摘要34引言微带天线是20世纪70年代研究成功的一种新型天线，它是由介质基片，另一侧为平面几何形状的导体贴片和基片另一面上的接地
4、板构成。它体积小、重量轻、剥面薄，容易实现双频段，双极化，便于获得圆极化，平面结构，与微波毫米波无源电路有源电路以及集成电路的兼容性好等优点1。 但随着无线通信的不断发展，使得通信系统不断的更新和扩容，在要求天线能在宽频的条件下工作同时能够满足多个系统的通信要求，所以研究多频带微带天线的特性已经成为迫切的课题。 就目前而言双频化技术主要有：在矩形的辐射边附近刻蚀缝隙；带有短路针和缝隙的矩形贴片；采用多层贴片；inclined缝隙耦合的矩形贴片；采用单一馈电、单层结构的双频技术。 本文设计的是一种小型化的双频微带天线，其中心频率是2.4G和5.8G，2.4G频段是全球免费使用的ISM频段，蓝牙、
5、802.11b和Zigbee都工作在2.4G频段，为了不会使多技术在该频段造成的干扰，特别在802.11a中增加了5.8G频段，所以同时工作在2.4G和5.8G频段的双频天线是非常有意义的2。通过HFSS软件对其进行仿真来改变双频微带天线的结构尺寸观察双频微带天线的S参数变化情况得出双频微带天线的最佳尺寸。第一章 双频微带天线的结构双频天线的仿真及其平面结构如图1所示，（1）为天线的平面图，微带天线主要有三部分组成，其中黑色的表示微带馈线和天线的辐射单元，在介质板的同一侧，位于介质板的下方的灰色部分为微带天线的接地板。（2）为其仿真结构，微带天线的辐射单元由50ohm的微带线馈电，同轴线与微带
6、线之间是通过SAM连接器连接的，由图可知双频微带天线是对称结构的，经过仿真效果得出我们把介质基片用的是环氧玻璃布层压绝缘板FR4-epoxy，它的节电常数是4.4，厚度是1.6mm，接地板的大小为Wg x Lg，接地板并没有完全覆盖整个微带天线，微带线的尺寸为Lf x Wf。辐射贴片由两个对称的形如背对的“C”行的臂组成，两个“C”行通过放置在中间的短线连接，天线是在空气中应用的所以仿真模型加了空气腔以模拟微带天线的真实工作环境，双频微带天线是通过采用曲流技术，增大电流的路径，从而实现天线的小型化3。（1）示意图（2）仿真图图1微带天线结构第二章 天线的仿真及测试结果分析利用仿真软件Ansof
7、t HFSS 对双频微带天线进行仿真，先把各个参数的尺寸设为如下：Lg=20mm,Wg=9.8mm，Lf=10.2mm，Wf=0.8mm，L1=3.2m，S1=0.6mm，L2=11mm，S2=1.2mm，L3=5.2mm,S3=31.2mm，L4=2.8mm,S4=0.8mm。2.1天线的反射损耗图天线的反射损耗曲线如图2所示，也即为S11的曲线图，由图可知在低频段2.4GHz附近，有较小的反射损耗，其工作范围是2.32GHz2.70GHz，在低频段的绝对带宽为390MHz，其中心频率为2.515GHz，其相对带宽为15.5%。在高频段有反射损耗小于-10dB，其工作频率范围为5.389GH
8、z5.792GHz，其绝对带宽为403MHz,中心频率为5.591GHz，相对带宽为7.21%。图2 天线的反射损耗a（1）2.4G时的E面场强方向图a(2)2.4G时的三维场强方向图b(1)5.8G时的E面场强方向图b(2)5.8G时的三维场强方向图图3双频天线的三维场强图及其E面场强方向图2.2天线的场强方向图天线的场强方向图如图3所示，方向图是指与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。由图a（1）可知在低频段即在2.4GHz附近时在=-20是其最大辐射方向，且并没有副瓣产生说明参加辐射的辐射元多，图a(2)是其在2.4G时的三维场强方向图，由图可以清楚的看出场强
9、大小在空间中各个方向的分布情况，也可以清楚的看出它是一个球状辐射。在高频段5.8GHz附近上时E面场强方向图出现了副瓣的情况，但是仍有一定的方向性，由图可知它的最大辐射方向也在=-20左右，这说明在这两个频段上在场强的辐射都比较好方向也较集中，图b（2）也可清楚的看出场强的分布情况。a 2.4GHz时天线的电流分布b 5.8GHz时天线的电流分布图4 天线的电流分布 2.3天线的电流分布图 图4所示为电流在2.4GHz和5.8GHz频率点时的电流分布图。由图a知电流在2.4G频率点上整个贴片的分布都较大，在臂上都有较大的电流流过，在双臂的中心点和微带线处流过的电流更大几乎是在双臂上的两倍。电流
10、的路径约为2.4G时的1/4波长。在5.8G频率点时电流在臂上的分布较少，从图中可以看出电流主要分布在连接线处和微带线处，电流的路径也约为5.8G时的1/4波长。第三章 天线的敏感性分析 图5和图6都是各个参数变化时对天线反射损耗S11的影响，每个参数影响S11时都是只改变一个参数的值而其他参数都保持不变。图5-1 L1对S11的影响图5-2 L2对S11的影响图5-3 L3对S11的影响图5-4 L4对S11的影响3.1 L对S11的影响 3.1.1 L1对S11的影响 图5-1所示为L1变化时对反射损耗S11影响的曲线图，由图可知L1对反射损耗有着明显的影响，对工作频率的影响不是很大，观察
11、图形可知当L1变大时低频段的反射损耗变大，而高频段的反射损耗反而变小，为了使天线能够达到最优化，以及能够使得在两个频段有较小的反射损耗，综合考虑我们先取L1=2.8mm。3.1.2 L2对S11的影响图5-2所示为L2变化时对反射损耗S11影响的曲线图，由图可知L2对反射损耗有着明显的影响，对工作频率几乎是没有影响的，观察图形可知当L2变大时低频段的反射损耗越来越小，而在高频段L2变大时反射损耗却越来越大，但在L2在10.6mm、10.8mm、11mm时几乎重合说明这三个数值在高频段对反射损耗几乎没有影响。为了使天线能够达到最优化，以及能够使得在两个频段有较小的反射损耗，综合考虑我们先取L2=
12、11mm。3.1.3 L3对S11的影响图5-3所示为L3变化时对反射损耗S11影响的曲线图，由图可知L3对反射损耗有着明显的影响，在低频段对工作频率没有影响的，随着L3的变大反射损耗变小，而在高频段整体上是随着L3的变大反射损耗也跟着变大，在L3=4.6mm时损耗曲线有较大的变化说明L3在该值时天线的性能变得很不理想，在设计和制作天线时我们应排除L3=4.6mm的情况，而在L3在5mm、5.2mm时在高频段他们的衰减是一样的但在低频段不一样，为了使天线能够达到最优化，以及能够使得在两个频段有较小的反射损耗，综合考虑我们先取L3=5.2mm。3.1.4 L4对S11的影响图5-4所示为L4变化
13、时对反射损耗S11影响的曲线图，由图可知L4对反射损耗有着明显的影响，无论在低频段还是在高频段对工作频率都是没有影响的，在低频段随着L4的变大反射损耗越来越小，而在高频段随着L4的变大反射损耗也越来越大，为了能够达到较好的性能要求以及能够使得在两个频段有较小的反射损耗，综合考虑我们先取L4=2.6mm。图6-1 S1对S11的影响图6-2 S2对S11的影响图6-3 S3对S11的影响图6-4 S4对S11的影响3.2 S对S11的影响3.2.1 S1对S11的影响图6-1所示为S1变化时对反射损耗S11影响的曲线图，由图可知S1对在高频段和低频段的工作频率都是没有影响的，在低频段随着S1的变
14、大反射损耗越来越大，而在高频段随着S1的变大反射损耗却越来越来小，为了能够达到较好的性能要求以及能够使得在两个频段有较小的反射损耗，综合考虑我们先取S1=0.4mm。3.2.2 S2对S11的影响图6-2所示为S2变化时对反射损耗S11影响的曲线图，由图可知S2对在高频段和低频段的工作频率都是没有影响的，在低频段随着S2的变大反射损耗越来越大，同时在高频段随着S2的变大反射损耗也越来越来大，但在S2=0.8mm、1.2mm时他们的损耗曲线重合说明S2在这两个值时对反射损耗是一样的，从图中我们得知在高频段的反射损耗都是较小的，最小的为-22dB左右而在高频段反射损耗都相对较大，最小的为-5dB左右，为了能使天线在这两个频率点有较好的反射损耗同时为了能够达到较好的性能要求，综合考虑我们先取S2=0.8mm。3.2.3 S3对S11的影响图6-3所示为S3变化时对反射损耗S11影响的曲线图，由图可知在一定范围内S3对在高频段和低频段的工作频率都是没有影响的，在低频段随着S3的变大反射损耗越来越小，同时在高频段随着S3的变大反射损耗也越来越来大，在低频段当S3=0.6mm时反射损耗发生了剧烈的变化，天线的损耗很大，同样在高频段S3=0.8mm时的反射损耗也发生了剧烈的变化，天
